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火箭發(fā)動機,人類玩火的極致(七)——基于東風導彈技術(shù) 打造長征運載火箭
YF-24發(fā)動機,由主發(fā)動機YF-20的改進型與YF-23四燃燒室游動發(fā)動機組成。二級中心安裝的主發(fā)動機,推力約735千牛,1秒鐘消耗約255千克推進劑。在主發(fā)動機頂部安裝一臺游動發(fā)動機,包含四個推力室,其總推力約為46千牛,1秒鐘消耗約16.6千克推進劑
以暴風一號為例,其一級動力來自四個YF-20A,二級動力由一臺YF-22(YF-20火箭發(fā)動機的噴嘴擴大版本)和一臺YF-23游動發(fā)動組成。長征二號系列其他幾個版本也采用這樣的動力設置。另外,在其捆綁型中,助推器并非采用固體燃料,動力仍來自YF-20液體發(fā)動機。
長征二號運載火箭一級單臺發(fā)動機YF-20結(jié)構(gòu),渦輪泵中渦輪設置在單側(cè),燃料再生冷卻推力室,渦輪排氣加熱液氧增壓貯箱
關(guān)于游動發(fā)動機的概念,筆者在《火箭發(fā)動機,人類玩火的極限——蘇聯(lián)R-7系列火箭》一文中提到,R-7火箭的芯級動力RD-108與助推機器RD-107,都配備游離發(fā)動機。一般來說,此種游離發(fā)動機的動力也來自于推進劑。
YF-24中游動發(fā)動機的四個燃燒室共用一個渦輪泵,給它們注入推進劑。主發(fā)動機單獨使用另一個渦輪泵。兩者都是采用開式泵壓循環(huán),驅(qū)動渦輪后的燃氣都最終排出發(fā)動機外部。
YF-24的游動發(fā)動機與主發(fā)動機布局
游動發(fā)動機的四個推力室都能夠沿圓周單向擺動,用于控制火箭二級的飛行,還可以用來消除主發(fā)動機關(guān)機后殘留推力偏差,也可以讓它長時間工作,以增加火箭二級的飛行時間,提高二級火箭發(fā)動機關(guān)機時的飛行高度。
長征二號運載火箭一級和二級都采用了擺動發(fā)動機方案,這與過去使用燃氣舵相比,是一個很大的技術(shù)進步。長征一號運載火箭使用的是燃氣舵(德國V-2火箭也使用燃氣舵),放在發(fā)動機噴口處的燃氣流中,只能改變部分燃氣流的噴射方向,可提供的控制力小,還降低了噴流的速度和發(fā)動機的效率。而通過擺動發(fā)動機,可以改變?nèi)咳細饬鞯膰娚浞较?,使擺動同樣角度所提供控制力大大增加,同時燃氣噴流速度不受影響。
與長征一號運載火箭一樣,長征二號運載火箭二級安裝的主發(fā)動機,也是以一級75噸發(fā)動機為基礎改進而制造出來的,利用了一級發(fā)動機基本的技術(shù)和部件,這也節(jié)約了不少研制經(jīng)費,并且縮短了研制周期。但是為了提高火箭二級飛行的靈活性,其游動發(fā)動機沒有與主發(fā)動機共用渦輪泵系統(tǒng),而采用了獨立的泵系統(tǒng),使得游動發(fā)動機在主發(fā)動機關(guān)機的情況下,也能獨立工作,這對發(fā)射衛(wèi)星的運載火箭是必要的。
長征二號運載火箭一、二級分離采用熱分離方案。二級主發(fā)動機在一級發(fā)動機完全關(guān)機前點火,二級主發(fā)動機點火工作后,才利用爆炸螺栓切斷火箭一、二級的聯(lián)系,無用的火箭一級在火箭二級主發(fā)動機噴焰的推動下,離開正在工作的二級火箭。為了保證二級發(fā)動機噴焰從火箭兩級之間盡快排出,火箭兩級之間采用了斜拉金屬桿連接方式,中間保留了很大的空隙。這樣的一、二級分離方案實際上是繼承自東風-4導彈。
“長征二號丙”運載火箭,在級間桿系及級間段,采用了斜拉金屬桿連接方式,可能借鑒了蘇聯(lián)人的思路,因為R-7火箭也是這樣的設計思路
結(jié)束語
長征二號運載火箭一級和二級發(fā)動機的研制成功,還有逐漸成熟的一、二級熱分離技術(shù),為我國后來的運載火箭發(fā)展打下了基礎。利用這種發(fā)動機及其組合方式,還有一、二級的熱分離技術(shù),再加上后來發(fā)展的助推器捆綁技術(shù),形成了我國“長征”火箭共10多種型號的大家族。
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